CC BY
86
УДК 620.22:538.911
НАНОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, РЕШЕНИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ
© 2006 г. Ф.И. Кукоз, В.Ф. Кукоз, А.А. Муковнин
В современных публикациях, а также в рекламируемых перспективных научно-поисковых программах, перечнях актуальных проблем современности неизменно фигурирует термин «нанотехнология».
Впервые его ввёл в науку в 1986 г. Л. Декслер в своей книге «Машины созидания». К сожалению, определение этого термина в литературе дано неоднозначно и приводит к разночтениям [1, 2].
В настоящей статье нами сделана попытка дать вариант определения этого термина. Нанотехнология подразумевает манипулирование (тем или иным способом) пространственным перемещением отдельных атомов химических элементов.
На рис. 1 приведён логотип фирмы IBM, выполненный 35 атомами ксенона на поверхности никеля. Эксперимент был проведён в высоком вакууме при температуре 4 К Эйслером и Швейцером в исследовательском центре IBM в Калифорнии в 1989 г. Буквы существовали около часа.
¿ь. ^ /О. ¿ь. л. ^
л. л.
ZS. zs.
Ä ZS. ZS. л.
Рис. 1. Логотип, на котором величина изображённых букв в 500000 раз меньше, чем буквы нормальной печати
В опытах при перемещении атома ксенона по поверхности никеля и других подобных экспериментах этими исследователями выявлено, что при движении контактирующих атомов друг относительно друга возникают силы трения. Так начала зарождаться на-нотрибология.
Более широкое определение нанотехнологии включает в себя область технологий с участием частиц, наибольший размер которых составляет около 100 нм.
Нанотехнология широко и ускоренно развивается во многих научно-исследовательских центрах мира, включая отечественную академию наук, и, в частности, в лаборатории Ж.И. Алфёрова, ставшего в 2004 г. лауреатом Нобелевской премии за достигнутые высокие научные результаты в области наноматериалов и нанотехнологий.
Наноматериалы и нанотехнологии находят широкое применение в самых разных отраслях науки и техники. Так, в области электроники нанотехнология позволяет существенно снизить габариты, материалоёмкость, энергопотребление электронных систем, повысить их быстродействие, объём памяти, помехозащищённость и надёжность.
В области материалов триботехнического применения нанотехнология позволяет создавать новые антифрикционные материалы. Например, уже изготавливаются наноразмерные порошки на основе серпентинитов, которые позволяют в составе специального ремонтно-восстановительного материала восстанавливать изношенные узлы и механизмы без разборки оборудования, в режиме его штатной эксплуатации. С помощью такого ремонтно-восстановительного состава значительно продлевается ресурс цилиндрической группы двигателей внутреннего сгорания любых типов, подшипников качения и скольжения, металлорежущих станков, всех видов горношахтного и металлургического оборудования и др. Использование наноразмерной алмазной шихты для модифицирования смазочных материалов позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики трибо-сопряжений. Триботехническое направление, успешно развивающееся на базе ОКТБ «Орион» при Южнороссийском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте), несомненно, будет использовать все полезные достижения технологии для собственных разработок в области композитных антифрикционных материалов.
В области энергетики возможности использования нанотехнологии (фуллеренов) также весьма обширны. Например, применение углеродных нанотрубок может значительно повысить эффективность литиевых химических источников тока. В таких источниках литий интеркалирован в графит. Емкость графита - 1 атом лития на 6 атомов углерода. Емкость материала, полученного из сростков нанотрубок - в 12 раз выше, поэтому применение углеродных нанотрубок в литиевых источниках тока весьма перспективно. На основе однослойных и многослойных нанотрубок уже созданы литиевые аноды с разрядной ёмкостью до 640 (А-ч)/кг. Любые достижения производства нанотрубок в необ-
ходимых количествах и с приемлемой стоимостью позволят перейти к разработке новых поколений литиевых источников тока на базе научно -конструкторско -технологического бюро химических источников тока при НПИ. Можно привести множество других подобных примеров [3 - 5].
Нанотехнология включает большое число способов создания наноструктур, материалов и изделий различного назначения. Становится очевидным, что фактически нет такой сферы практической деятельности человека, в которой внедрение нанотехнологии не приведёт к принципиально новым полезным результатам. Поэтому все экономически развитые страны выделяют чрезвычайно крупные средства на развитие данного научно-технического направления.
В нанотехнологии отрабатываются эффективные методы самосборки наноструктур вещества, начиная от атомов, в структуры любой сложности, с любыми заданными свойствами, не противоречащими законам природы. При этом широко используются принципы самоорганизации, отработанные в процессе длительной эволюции материи, особенно на стадии эволюции биологических систем.
В XXI в. нанотехнологии будут определять уровень технического развития человечества - в информатике, радиоэлектронике, материаловедении, биологии, медицине, авиации, космонавтике, бытовой технике и других отраслях передового хозяйства.
Нанотехнологии - совокупность методов обработки, изготовления и измерения свойств, когда все операции материального производства совершаются в нанометровом диапазоне размеров (среднее расстояние между атомами в кристалле - 0,2 нм). Приёмы нанотехнологий разработаны только в последние 10 -15 лет на основе достижений квантовой физики твёрдого тела.
Диапазон размеров 50 - 100 нм - фундаментальный барьер, за которым меняются свойства тел и начинают проявляться квантовые эффекты. Например, квантуется сопротивление нанопроволок, электроны туннелируют через нанослои диэлектрика, в зависимости от количества одно и то же вещество может быть металлом, полупроводником или диэлектриком. Здесь теряют силу классические теории и принципы действия приборов, но открываются перспективы создания новых материалов и приборов с недоступными сегодня свойствами.
Фундаментальной наукой созданы квантовые точки, ямы и проволоки, нанотрубки и фуллерены, ДНК-технологии сборки наноструктур, сканирующие зон-довые туннельный и атомно-силовой микроскопы. Эти микроскопы позволяют «видеть» отдельные атомы, а также производить манипуляции с отдельными атомами и молекулами (например, передвигать их).
Сейчас на мировом рынке - свыше 3 тыс. промышленных и потребительских товаров, производи-
мых с помощью нанотехнологий. Одно из основных направлений нанотехнологий в промышленности -синтез наночастиц (1 - 10 нм) металлов, алмазов и других веществ. Модифицирование наночастицами серебра улучшает свойства эмульсий, придаёт бактерицидные свойства краскам и тканям. Значительно улучшает свойства смазок, покрытий, режущих инструментов модифицирование другими наночастицами.
В медицине уже используются нанотехнологии, цель которых - транспорт лекарственных и диагностических средств к определённым клеткам (например, опухолевым).
В лабораториях разрабатываются нанороботы, способные очищать кровеносную систему от холестерина и зарождающихся раковых клеток, исправлять дефекты тканей и клеток.
Углеродные нанотрубки - основа материалов будущего. Это полые цилиндры (диаметр основания - от 1 до 20 нм, высота - сотни нанометров) без швов, свёрнутые из плоской гексагональной сети атомов углерода. В зависимости от структуры они могут быть металлами с высокой электропроводностью или полупроводниками, способными переключаться в состояние изолятора. В IBM уже получены опытные нанот-ранзисторы на нанотрубках. Проектируются нанодви-гатели с применением нанотрубок. Химическая стабильность, пористость, прочность, в десятки раз превосходящая прочность стали - перспектива примесных нанотрубок в измерительной технике, химической технологии. Рассматривается возможность применения нанотрубок в качестве радиопоглощающих экранов, хранилищ газов, радиоактивных отходов.
Наиболее впечатляющие результаты должны дать и уже дают нанотехнологии в электронике, на достижениях которой базируются вычислительная техника, средства приёма, обработки и передачи информации, АСУ. Сейчас передовой рубеж микроэлектроники -100 нм. Нанотехнологии позволяют достичь минимальных размеров переключающих и запоминающих атомных устройств. Переход к наноразмерному диапазону позволит на несколько порядков увеличить быстродействие переключающих устройств, разместить на малых площадях огромный объём памяти, значительно снизить энергопотребление.
Уже сейчас квантовые ямы, квантовые точки, сверхрешётки - основа ряда действующих структур. Наногетероструктуры - в сотовой цифровой телефонии, высокоскоростном Интернете, спутниковой связи. Все системы связи - на основе транзисторов на квантовых ямах HEMT, усиливающих сигналы с частотой до 10 Гц. Инжекционные лазеры на квантовых ямах и квантовых точках работают на волоконнопти-ческих линиях связи. Новый класс приборов на сверхтонких гетероструктурах - резонансные туннельные диоды и транзисторы с потенциальным быстродействием 1012 Гц.
Получены опытные образцы одноэлектронных приборов, в которых контролируется движение одного электрона. В запоминающих структурах для запоминания 1 бита информации используется 1 электрон. По теоретическим оценкам быстродействие одноэлек-тронного прибора - 1014 Гц, энергопотребление - 10-8 Вт. Память 1012 байт на кристалле кремния займёт 3 - 5 см2, а для современных устройств такая память потребовала бы 80 м2.
Новое перспективное направление наноэлектро-ники - спектроника. Для представления информации наряду с зарядом используется спин - собственный магнитный момент электронов и ядер. Уже сейчас магнитные головки жёстких дисков производятся с помощью нанотехнологий, основанных на явлении гигантского магнитного сопротивления, что позволило увеличить ёмкость дисков на 2 порядка. Ведутся разработки спиновых полевых транзисторов и нанот-ранзисторов с переносом спина. На магнитных туннельных переходах работает новый тип памяти (МЯАМ) с высокой скоростью записи и чтения.
Получены новые материалы - магнитные полупроводники - одновременно магниты, полупроводники и оптические среды. В современных информационных технологиях для обработки информации используются полупроводниковые ИС, для хранения -ферромагнетики. Интеграция процессора и памяти на одном магнитополупроводниковом чипе даёт возможность создания сверхбыстрых нанокомпьютеров.
Молекулярная электроника (молетроника) использует в качестве базовых элементов - диодов, транзисторов, элементов памяти, логических элементов - отдельные органические молекулы. Молекулярный компьютер будет размером с песчинку, а произво-
дительность возрастёт в сотни и тысячи раз по сравнению с современными.
Развитые страны вкладывают огромные средства в развитие нанотехнологий. В США в 2000 г. принята приоритетная долгосрочная программа «Национальная нанотехнологическая инициатива», призванная обеспечить лидерство США в XXI в. Бюджетное финансирование программы в 2005 г. - 4,5 млрд долларов. Долгосрочные программы приняты Европейским союзом, Японией и другими странами. Возросла инвестиционная активность крупных корпораций, подключились ведущие мировые университеты. По прогнозам, в ближайшее десятилетие мировой науке и промышленности потребуется не менее 2-3 миллионов специалистов в области нанотехнологий. Министерством образования РФ принято решение о введении специальностей «Наноэлектроника» и «Наномате-риалы».
Литература
1. Кукоз Ф.И., Кукоз В.Ф. Трибоэлектрохимия. Учебн. пособие. Новочеркасск, 2003.
2. Кузнецов С.А. Теория механизмов и машин. Учебн. пособие. Шахты, 2004.
3. Гаркунов Д.Н. Триботехника. 2-е изд. М., 1989.
4. Шпеньков Г.И. Физикохимия трения. Минск, 1991.
5. Дедков Г.В. Нанотрибология: экспериментальные факты и теоретические модели // Успехи физических наук, 2000. Т. 170. № 6. С. 585-618.
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт) 28 февраля2006 г.
